무지개를 만들어 보자! 이중 무지개와 빛의 굴절·반사가 그리는 하늘의 과학
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.
「어, 무지개다!」
비 갠 뒤 하늘에 갑자기 나타나는 일곱 빛깔 아치. 그 아름다움에 나도 모르게 발걸음을 멈추고 하늘을 올려다본 경험, 누구나 한 번쯤은 있으시죠? 저도 얼마 전 고속도로를 달리다가 정말 근사한 무지개를 만났답니다.
사실 무지개는 단순히 예쁜 풍경 그 이상입니다. 하늘에 떠 있는 수많은 작은 물방울들이 태양 빛을 정성스럽게 나누어 보여주는, 아주 거대한 빛의 실험 쇼거든요.
특히 무지개 바깥쪽에 또 하나의 흐릿한 무지개가, 그것도 색깔 순서가 거꾸로 뒤집힌 채로 떠 있다면…… 그건 자연이 우리에게 선사하는 최고의 서프라이즈라고 할 수 있습니다. 오늘은 이 신비로운 「더블 레인보우」의 비밀을 함께 파헤쳐 보겠습니다.
행운의 상징! 더블 레인보우의 정체
사진처럼 두 겹으로 겹쳐진 무지개를 더블 레인보우(쌍무지개)라고 부릅니다. 안쪽의 선명한 무지개를 주무지개, 그리고 바깥쪽의 흐릿한 무지개를 부무지개라고 하죠. 그런데 이 둘은 그냥 나란히 서 있는 게 아니에요. 자세히 한번 관찰해 보세요. 주무지개와 부무지개의 색깔 순서가 완전히 반대라는 게 보이시나요? 주무지개는 「바깥쪽이 빨간색, 안쪽이 보라색」이지만, 부무지개는 「바깥쪽이 보라색, 안쪽이 빨간색」입니다. 이 신기한 현상의 열쇠는 바로 빛의 「반사 횟수」에 있습니다.
물방울이 프리즘으로! 무지개가 생기는 과학 원리
하늘에 무지개가 걸리는 원리는 마치 마법 같지만, 그 주인공은 공기 중에 떠다니는 작은 물방울입니다. 이 물방울 하나하나가 과학 시간에 사용하는 프리즘과 똑같은 역할을 하는 셈이죠. 태양 빛은 겉보기엔 하얗게 보이지만, 사실 빨간색부터 보라색까지 모든 색깔의 빛이 섞여 있습니다. 이 빛이 물방울 속을 통과할 때 다음과 같은 드라마가 펼쳐집니다.
１．굴절：태양 빛이 공기에서 물방울로 들어갈 때 진행 방향이 꺾입니다. 이때 보라색 빛은 크게 꺾이고, 빨간색 빛은 작게 꺾이는 성질 때문에 색깔이 나뉘기 시작합니다.
２．반사：물방울 안쪽 끝까지 도달한 빛은 거울을 만난 것처럼 한 번 튕겨 나옵니다.
３．다시 굴절：반사된 빛이 물방울 밖으로 나갈 때 다시 한번 꺾입니다.
이처럼 「두 번의 굴절」과 「한 번의 반사」를 거쳐 우리 눈에 들어오는 것이 우리가 평소에 보는 주무지개입니다.
왜 부무지개는 색깔이 거꾸로일까요?
그렇다면 왜 바깥쪽 부무지개는 색깔이 반대로 뒤집힌 채 흐릿하게 보이는 걸까요? 그 이유는 물방울 안에서의 반사 횟수 때문입니다. 부무지개는 놀랍게도 물방울 안에서 빛이 「두 번」 반사되어 나옵니다. 두 번 반사되면서 빛의 경로가 한 번 더 뒤집히기 때문에 주무지개와는 반대 순서로 색깔이 나타나는 것이죠. 또한 반사 횟수가 늘어날수록 빛의 에너지가 약해지기 때문에 부무지개는 주무지개보다 어둡고 아련하게 보인답니다.
일러스트와 함께 설명된 이 사이트를 참고하시면 이해하기 훨씬 쉬우실 거예요.
참고로 주무지개와 부무지개 사이가 다른 하늘보다 조금 더 어둡게 보일 때가 있습니다. 이를 「알렉산더의 암대」라고 부르는데, 빛이 잘 도달하지 않는 영역이죠. 더블 레인보우를 발견하신다면 꼭 이 「색깔 농도의 차이」에도 주목해 보세요.
직접 무지개를 「발명」해 봅시다!
무지개의 원리를 알았으니 이제 직접 만들어 볼 차례입니다!
무지개를 찾을 때의 철칙은 태양을 등지고 서는 것입니다. 태양이 낮은 위치에 있는 아침이나 저녁에는 무지개가 커다란 아치를 그리기 쉽습니다. 반대로 태양이 높이 뜬 낮에는 무지개가 지면 아래로 숨어버리기 때문에 만나기가 어렵죠. 예전에 제가 촬영한 무지개 모습도 확인해 보세요.
더 확대해 보면 빛이 겹쳐지는 모습이 더욱 선명하게 보입니다.
집에서 무지개를 만드는 방법은 아주 간단합니다. 맑은 날 태양을 등지고 서서, 호스 노즐을 샤워 모드로 맞춘 뒤 자신의 그림자 방향으로 물을 뿌리기만 하면 끝!
운이 좋다면 이렇게 손안에 작은 더블 레인보우가 나타날 거예요. 직접 만든 무지개로 색깔 순서를 확인해 보는 것만큼 즐거운 과학 체험도 없답니다.
날씨가 좋은 날, 마당이나 공원에서 「나만의 무지개」를 꼭 한번 만들어 보세요!
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